船用二級增壓柴油機工作過程計算模型簡化研究

張雁鵬，安士杰

(海軍工程大學 船舶與動力工程學院，武漢430033)

柴油機工作過程計算是現代柴油機設計和實驗研究的有效方法之一。在工作過程模擬中，實現了對發動機主要性能指標的預測，并且根據計算結果，對實驗值和計算值進行比較，從而對發動機的參數及其優化起到積極的指導作用。

AVL BOOST軟件是能夠對內燃機熱力循環過程進行模擬計算的專業軟件，以某型二級增壓柴油機為例，應用該軟件建立計算仿真模型，并與實際測量數據和參考數據進行對比分析。AVL BOOST軟件中，最重要的數據參數設置為氣缸燃燒過程的設置。對于燃燒過程的研究大體可以分為燃燒放熱率的計算、零維燃燒模型、準維燃燒模型和多維燃燒模型。

1 柴油機計算過程數學模型

1.1 主要技術參數

模型柴油機主要技術參數見表1。

1.2 模型選擇

針對此型號柴油機采用零維燃燒模型，燃燒模型采用單vibe模型，缸內傳熱模型采用Woschni1978換熱模型。

2 計算模型的建立

2.1 柴油機工作模型

柴油機二級增壓工作模型見圖1，SB1、SB2為系統邊界，1～20為連接管道，PL1和PL2為進排氣總管，CO1和CO2為空冷器，TC1和TC2為渦輪增壓器，C1～C6為氣缸，MP1～MP10為測量點。

表1 模型柴油機主要技術參數

圖1 柴油機二級增壓工作模型

2.2 主要參數

關于噴油量的控制，在BOOST里可以通過空燃比或循環噴油量來定義，通過定義每缸每循環噴入氣缸的燃油克數來確定。

式中:be——標定功率點燃油消耗率，g/(kW·h);

i——柴油機氣缸數;

Pe——柴油機標定功率，kW;

n——柴油機轉速，r/min。

軟件中確定的參數有燃燒起始角、燃燒持續角和燃燒品質指數。同時，設定燃燒為完全燃燒。

2.3 增壓系統的計算與簡化

實驗數據見表2。

表2 實驗數據

計算式一級壓氣機進口空氣溫度為298 K，二級壓氣機出口空氣溫度取359 K，環境壓力與原機實驗時大氣壓力相同，因而總壓比π=2.1。

2.3.1 一級壓氣機出口壓力溫度參數

一級壓氣機空氣出口壓力為0.12 MPa，一級壓氣機空氣出口溫度為370 K。

2.3.2 中冷器參數計算

在二級增壓模型中，中冷器實際上是一個具有節流和降溫作用的換熱原件，使壓氣機的工作過程近似等同于等溫壓縮。

式中:Ti——中冷器進口氣體溫度;

Tw——中冷器出口處的水溫;

ηc——中冷器效率的中冷器出口空氣溫度。

2.3.3 模型的簡化設計

在進行二級增壓模型的建立與調式中，二級增壓中近似于等同于等溫壓縮的過程(見圖2)。將二級增壓的模型簡化為一級增壓的模型。

模型簡化證明如下。

1)如圖2所示，當進行模型的簡化時，軟件原先最初計算是1—2—2＇—3的過程，進行模型簡化后則為1—3的多變過程。則兩個過程的壓縮功所代表的面積極其相似。

2)根據技術參數要求，各氣缸廢棄允許溫度不大于973 K。因為在二級增壓系統中，循環最高溫度相比一級增壓系統來說下降，因而其各氣缸廢氣溫度也相比一級增壓系統來說下降，在圖3中所示排放廢氣溫度在排氣時候的溫度滿足模型建立的條件。

圖2 柴油機一級增壓工作模型

圖3 一級增壓模型氣缸廢氣溫度(四號測量點)

3)使用一級增壓模型中缸內的溫度曲線和壓力曲線見圖4和圖5。

圖4 缸內溫度曲線(一號缸)

圖5 缸內壓力曲線(一號缸)

如果使用圖1的二級增壓模型，則得到的缸內溫度和壓力曲線見圖6和圖7。

圖6 缸內溫度曲線(一號缸)

由一級增壓模型中缸內的溫度和壓力曲線和二級增壓模型中缸內的溫度和壓力曲線中對比可知，其結果均在技術手冊允許范圍內，因而在相同缸內參數情況下滿足二級增壓模型轉化為一級增壓模型。

圖7 缸內壓力曲線(一號缸)

3 參數調整

3.1 噴油提前角

噴油提前角的位置對燃燒過程影響很大［2，3］。噴油提前角與燃燒起始角有相同的影響趨勢。文中以燃燒起始角由-15°至-10°再到-8°進行計算，見表3。

表3 燃燒起始角

由表3可見，最高爆壓、油耗和排氣溫度的確按照之前的預計變化。其中，最高爆壓降幅度最大，排氣溫度小幅度提升;但是其平均有效壓力和油耗并不與燃燒起始角呈線性關系。

3.2 Vibe模型參數調整

形狀參數和燃燒持續角可以改變氣缸內燃燒放熱率曲線的形狀。

形狀參數m的調整，見表4，最終選取m=1.0。

表4 形狀參數m

經過圖表化的形狀因子調整見圖8。

圖8 形狀因子調整

燃燒持續角的調整，見表5。

表5 燃燒持續角的調整

經過圖表化的燃燒持續角的調整見圖9。

圖9 燃燒持續角的調整

經過上述調整選擇燃燒持續角為50°，形狀因子為1。

4 計算結果

通過模擬計算轉速為750 r/min，額定工況下柴油機的工作過程，得到主要數據見表6。

表6 主要數據與參考/技術參數對比

上述計算值與實驗值及計算值與參考值的比較表明，平均有效壓力、缸內最大壓力、功率、各氣缸排氣溫度、有效燃油消耗率基本吻合。

5 結論

1)在仿真結果與實驗結果的參考數據對比中，油耗、排氣溫度、最大爆壓以及平均有效壓力的模擬值都在允許誤差范圍內，滿足模擬計算的要求，從而使本模型可以足夠精確地獲得柴油機工況下的熱力參數，為以后此型柴油機進一步實驗和故障診斷提供了準確依據。

2)本次進行的仿真計算，將二級增壓模型簡化為一級增壓模型，通過理論的驗證，將一級增壓模型與技術手冊參數要求進行對比，將二級增壓模型與一級增壓模型的缸內壓力和溫度曲線對比，可行性分析說明，仿真模型可能對實驗結果的穩定性造成影響，所以必須與實驗相結合，進行多次驗證;在仿真模型中，部分數據根據經驗公式獲得，所以仍然需要多進行實驗來完善計算，將模擬和實驗一體化，互相補充。

［1］周龍保，高英宗.內燃機學［M］.北京:機械工業出版社，1998.

［2］劉 騫，尹頌華.基于AVLBOOST仿真優化及柴油機性能預測［J］.鐵道機車車輛，2011，31:153-157.

［3］繆本樂，安士杰，邵利民.壓力波動對噴嘴內流場及噴油規律影響的仿真研究［J］.船海工程，2009，38(4):66-69.